DE3000589C2

DE3000589C2 - Drehfeste Preßfüge-Verbindung zweier ineinander angeordneter Bauteile

Info

Publication number: DE3000589C2
Application number: DE3000589A
Authority: DE
Inventors: Hisanobu Katsuta Ibaraki Kanamaru; Moisei Shinjuku Tokio/Tokyo Okabe; Hideo Mito Ibaraki Tatsumi; Akira Katsuta Ibaraki Tohkairin
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-01-10
Filing date: 1980-01-09
Publication date: 1985-06-27
Also published as: JPS5746931B2; GB2038682A; US4370793A; JPS5594740A; GB2038682B; DE3000589A1; CA1127830A

Description

einem Schaft eingearbeitete Ringnut mit bogenförmigem Grund mittels eines Rändelwerkzeuges in Form eines längsgerippten Rades einzudrücken, wobei dann

Die Erfindung betrifft eine drehfeste Preßfüge-Ver- im Nutgrund eine Vielzahl von Längskerben ausgebilbindung zweier ineinander angeordneter Bauteile der 60 det werden. Angaben über die Geometrie dieser Längsim Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen kerben sind dieser Druckschrift nicht zu entnehmen. Gattung. Auf einen älteren nicht vorveröffentlichten Vorschlag

Preßfüge-Verbindungen zweier ineinander angeord- der Anmelderin geht eine weitere Preßfüge-Verbindung neter rotationssymmetrischer Bauteile sind in einer zurück (DE-OS 29 12 033), bei der die beiden Bauteile Vielzahl unterschiedlicher Ausführungen bekannt. Die 65 mit einem radialen Spalt ineinander angeordnet werden Herstellung der Verbindung erfolgt in der Regel durch und ein ringförmiges Verbindungselement in diesem Ausüben eines erheblichen Druckes auf den Bauteil aus Spalt plastisch derart verformt wird, daß ssin Werkstoff weicherem Werkstoff, der sich dabei plastisch verformt in Ringnuten fließt, die in den beiden sich gegenüberlie-

genden Umfangswänden der Bauteile ausgebildet sind. Im Boden jeder dieser beiden Ringnuten sind Vertiefungen und Erhebungen ausgebildet, deren axiale Seitenflächen Scheitelwinkel im Grund der Vertiefung zwischen 60 und 120° bilden. Die oberen und unteren Endflächen dieser Nuten sind unter einem spitzen Winkel zur Achsrichtung geneigt Durch die Notwendigkeit des gesonderten Verbindungselementes ist diese spezielle Preßfügeverbindung nur begrenzt einsetzbar. Darüber hinaus ist diese Verbindungsart wegen der Einarbeitung und besonderen Ausbildung je einer Ringnut in jeden Bauteil relativ aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine besonders starre Preßfüge-Verbindung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die eine hohe Festigkeit in axialer und Umfangsrichtung gegenüber statischen und Wechselbelasti'ngen hat

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

!m folgenden v» erden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 die Hauptteile eines Schwungmagneten im Axialschnitt;

Fig.2 in Seitenansicht eine Nabe des Schwungmagneten vor dem Verbinden;

Fig.3A, Fig.3B Axialschnitte des NutabschniUes der Nabe ohne und mit Rändelung des Nutgrundes;

Fig.4 einen vergrößerten Querschnitt des Nutabschnitts der Nabe;

Fig.5 einen Axialschnitt des Schwungkranzes vor dem Verbinden;

F i g. 6 eine Vorrichtung zum Herstellen von Preßfüge-Verbindungen;

F i g. 7 schematisch die Abmessungsverhältnisse zwischen dem Schwungkranz und der Nabe im Verbindungsbereich;

F i g. 8 die Vorrichtung nach F i g. 6 beim Herstellen einer Preßfüge-Verbindung zwischen einer Nabe und einer Scheibe;

F i g. 9 die Preßfüge-Verbindung zwischen einem Zahnrad und einer Welle;

F i g. 10 die Preßfüge-Verbindung zwischen einer Nabe und einer Ringscheibe;

F i g. 11 eine besondere Art der Herstellung der Kerben und Zähne im Nutgrund.

Nach Fig. 1 ist auf dem konischen Endabschnitt 302 einer Motorwelle 301 eine Hohlnabe 100 aus unlegiertem Baustahl durch eine Feder 303 und eine Mutter 306 befestigt. An der radialen Innenwand eines napfförmigen Schwungkranzes 200 aus Flußstahl sind Dauermagnete 311 mit Magnetpolen 312 angeordnet. Die Innenseite jedes Magnetpols 312 liegt Ständerblechen 314 gegenüber, auf die eine Geiieratorwicklung 313 gewikkelt ist. Der Schwurgkranz 200 ist direkt mit der Nabe 100 verbunden, so daß die Motorwelle 301 und der Schwungkranz 200 als starre Baugruppe gemeinsam umlaufen.

Nach Fig.2 wird in der Verbindungsfläche 101 der Nabe 100 eine Ringnut 102 mit gerändeltem Nutgrund eingearbeitet.

F i g. 3A zeigt die Ringnut 102 vor dem Rändeln. Die Breite B der umlaufenden Nut 102 wird entsprechend der erforderlichen axialen Scherfestigkeit der fertigen Verbindung gewählt. Die Nuttiefe Ho beträgt bevorzugt 0,2—1,0 mm und der Neigungswinkel λ der oberen und unteren Endwand der Nut liegt zwischen 30 und 70", bevorzugt bei ca, 45°.

Wie aus F i g. 3B und 4 ersichtlich, werden im Nutgrand Zähne 103 durch Rändeln gebildet Die Höhe H\ der Zähne beträgt zwischen 0,2 und 1,0 mm und ihr Scheitelwinkel /liegt zwischen 60 und 120°, bevorzugt bei ca. 90°. Zweckmäßig ragen die Zähne 103 nicht über die Umfangsfläche 101 nach außen vor.

Gemäß F i g. 5 weist der napfförmige Schwungkranz 200 eine zentrale Bohrung 202 mit einer inneren Verbindungsfläche 201 auf. Die Wandstärke t ist wesentlich größer als die Nutbreite B in der Nabe 100. Die Beziehung zwischen dem Durchmesser Ih der Bohrung 202

is und dem Durchmesser D\ der Nabe 100 ist so gewählt, daß die Nabe im Gleitsitz in die Bohrung 202 eingefügt werden kann. Bei zu losem Gleitsitz können Fluchtungsfehler auftreten.
Nach F i g. 6 wird zur Herstellung der Verbindung der Schwungkranz 200 auf die ebene Oberfläche 401 einer Matrize 400 gelegt Die in die Bohrung 202 des Schwungkranzes eingeschobene Nabe 100 wird durch eine Ausnehmung 402 der auf einem Bett 410 montierten Matrize 400 abgestützt Ein ringförmiges Preßwerkzeug 500 ist in einem zylindrischen Durchbruch einer oberes Gegenhalteplatte 300 gleitend geführt und an einer Werkzeugaufnahme 601 befestigt, die sich an einem Pressenstößel 602 abstützt. Zwischen dem Pressenstößel 602 und der Gegenhalteplatte 300 ist ein Federsystern mit einer oberen Stützplatte 603, Schraubenfedern 604, einer unteren Stützplatte 605 und Führungszapfen 606 angeordnet Die obere Stützplatte 603 ist am Stößel 602 befestigt Die Gegenhalteplatte 300 ist an der oberen Stützplatte 603 über seitliche Arme 303 und Führungsbolzen 607 aufgehängt

Beim Verbindungsvorgang bewegen sich die Werkzeugaufnahme 601, das hohlzylindrische Werkzeug 500 und die obere Gegenhalteplatte 300 durch eine Abwärtsbewegung des Pressenstößels 602 nach unten. Dabei drückt zuerst die Gegenhalteplatte 300 mit ihrem ebenen Flächenteil 302 gegen die Oberfläche des Schwungkranzes 200, bevor das Werkzeug 500 den Schwungkranz berührt. Die auf den Schwungkranz 200 ausgeübte Preßkraft wird vom Stößel 602 und die Fedem 604 ausgeübt Dadurch wirkt auf die beiden Oberflächen des Schwungkranzes 200 eine vertikale Vorspannung ob, die wesentlich unter der Fließgrenze bzw. dem Formänderungswiderstand a\ des Schwungkraft-Werkstoffs liegt. Wenn der Stößel 602 weiter abwärtsfährt, preßt sich der vordere Endteil 501 des Werkzeuges 500 in dem Schwungkranz 200 nahe seiner Verbindungsfläche 201. Da die Spannung σι größer als der Formänderungswiderstand o\ ist, bewirkt dieser Einpreßvorgang des Werkzeuges eine bleibende Einsenkung in den Schwungkranz, dessen Werkstoff in die Nut 102 der Nabe 100 fließt. Durch die gleichzeitig wirksame Abstützung des Schwungkranzes 200 zwischen der Matrize und der Gegenhalteplatte werden Verformungen des Schwungkranzes vermieden. Da der zylindrische Rand 210 des Schwungkranzes ausreichend weit vom wirksamen Teil 501 des Werkzeuges entfernt ist, ergeben sich keine bleibenden Randverformungen. Auf diese V*'3ise kann eine hohe Haftfestigkeit der Verbindung mit nur relativ geringen Preßkräften erzielt werden.

Bei dem praktischen Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 betrug die Vorspannung o\ im Schwungkranz etwa 5 bis 15 kg/mm² und die Spannung σι lag im Bereich von 150—180 kg/mm². Bei einem Außendurchmesser des

Schwungkranzes 100 von 100 mm betrug daher die von den Federn 604 ausgeübte Kraft ca. 301. Das Werkzeug 500 wurde mit einer Kraft von ca. 30—40 t auf den Schwungkranz gedrückt. Der wirksame Endteil 501 des Werkzeuges 500 ist genau ringförmig bearbeitet, so daß er neben der Verbindungisfläche 201 gleichmäßig eingepreßt wird und durch den Verbindungsvorgang hervorgerufene Fluchtungsfehler vermieden werden. Wie aus F i g. 7 ersichtlich, erzeugt der vordere Teil

501 des Werkzeuges 500 bei einem Preßvorgang eine io tet.

Gleiche Wirkungen hat eine Vergrößerung der Preßkraft. Bei größerwerdendem Freiraum in der Nut 102 verringern sich die inneren Restkräfte der Verbindung und damit deren Haftfestigkeit. Wenn dagegen der Abstand 5 kleiner 0 ist, d. h., wenn der Boden der Vertiefung unter dem oberen Ende der Nut liegt, verringern sich ebenfalls die vom in die Nut eingedrungenen Werkstoff auf die Nutwände ausgeübten Restspannungen, was ebenfalls eine Abnahme der Haftfestigkeit bcdeu-

Vertiefung 204 im Schwungkranz, deren Tiefe Λ ein- bis zweimal so groß wie die Tiefe H der umlaufenden Nut ist und bevorzugt zwischen 0,6 und 1,0 mm beträgt. Das Volumen der Einpressung bzw. Vertiefung 204 wird so gewählt, daß ein ausreichender Werkstofffluß des

Bei Einhalten der vorstehend beschriebenen Bedingungen können durch die Preßfüge-Verbindungen wesentlich höhere Drehmomente als durch herkömmliche artgleiche Verbindungen übertragen werden. Wenn beim Ausführungsbeäspie! nach Fig. ! der Außendurchmesser D der Nabe 100 im Verbindungsbereich 28 mm beträgt, können Drehmomente von 90 bis 100 mkg übertragen werden. Die Preßfüge-Verbindung hat eine dreifach höhere Festigkeit gegenüber einer herkömmli-

Schwungkranzmaterials in die Nut 102 sichergestellt ist. Da bei einem Preßvorgang ein gewisser Anteil an Schwungkranzmaterial in andere Richtungen verdrängt wird, muß das Volumen U der Einpressung größer als

das Volumen Vder umlaufenden Nut 102 sein, damit die 20 chen Verbindung, bei welcher die Welle direkt gerän-N ut 102 vollständig mit dem Schwungkranzmaterial delt und in die Bohrung des Schwungkranzes eingepreßt ausgefüllt wird. Bei einer wirksamen Gegenhalterung wird.

des Schwungkranzes während des Preßvorganges kann Um Wölbungen oder Biegungen einer Scheibe beim

LJ 1,5 bis 2,0 V sein. In diesem Fall übt das in die Nut Verbinden mit einer Welle zu vermeiden, wird die eingepreßte Schwungkranzmaterial ständig wirksame 25 Scheibe zweckmäßig allseitig, d. h. auch an ihren äuße-Restkräfte in axialer und radialer Richtung aus, die im ren Umfangsflächen, eingespannt, um so eine Vorspan-Zusammenwirken mit dem Formschluß der Nut und de- nung auf alle Außenflächen vor dem eigentlichen Umren Rändelung den Schwungkranz auf der Nabe starr formvorgang auszuüben. Diese Vorspannung -Job liegt fixieren. im Bereich von 0,3—1,0 2 <7₂. Ohne eine solche Vorspan-

Wenn zum Erhalt dieses Einpreß-Volumens U die 30 nung können Wölbungen von 0,3 bis 0,7 mm bei einem Tiefe //der Einpressung 204 übermäßig vergrößert Scheibendurchmesser von 100 mm auftreten,
wird, kann sich eine Schwächung des Schwungkranzes Die Vorrichtung nach F i g. 8 ist zur Herstellung einer

im Bereich der Vertiefung ergeben. Wenn andererseits Preßfüge-Verbindung zwischen einer Nabe 100 und eider Abstand S vom Boden der Vertiefung 204 zum obe- ner ebenen Scheibe 220 ausgebildet. Die Scheibe 220 ist ren Ende der Nut 102 zu klein ist, verringern sich diese 35 von einem stabilen Ringzylinder 420 umgeben, der auch innerhalb der Verbindung wirksamen Restkräfte bzw. auf ihren Außenumfang eine Vorspannung O₀ ausübt Restspannungen, wodurch die Haftfestigkeit der Ver- Dadurch fließt beim Eindringen des Werkzeuges 500 bindung geringer wird. Diese Effekte begrenzen den der verdrängte Werkstoff vollkommen in die Nut 102. Bereich der Einpreßtiefe h. Dieses Vorgehen ist besonders für Scheiben 220 von

Ferner besteht die folgende Beziehung zwischen der 40 kleinem Querschnitt zweckmäßig, bei denen ausrei-Breite b der Vertiefung 204 und der Breite ßder Nut 102 chende Gegenkräfte allein durch die Gegenhaltepiatte

300 und die Federn 604 nicht erzielt werden können.

0,5 B < b < 1,5 B. Gemäß Fig.9 ist ein Zahnrad 230 aus unlegiertem

Stahl auf einer Welle 110 durch eine erfindungsgemäße

Die Vertiefung 204 soll so nahe wie möglich an der 45 Preßfüge-Verbindung befestigt. Das Zahnrad 230 ist nur Verbindungsfläche 201 des Schwungkranzes 200 liegen, in seinem radial äußeren Zahnabschnitt gehärtet,
damit beim Preßvorgang nur ein geringer Anteil an Fig. 10 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen

Schwungkraftwerkstoff nach oben herausgedrückt und Preßfüge-Verbindung zur Befestigung einer Bremsnach radial außen verdrängt wird. Der radiale Abstand scheibe aus hartem Werkstoff auf einer Nabe. Die der Vertiefung 204 zur Verbindungsfläche 201 muß je- 50 Bremsscheibe 240 aus rostfreiem Stahl weist in ihrer doch ausreichen, urr. das Wcrkzcagendc 501 leicht her- inneren Umfangsfläche 241 eine Nut 242 mit Kerben ausziehen zu können. und Zähnen am Nutgrund auf. Die Nabe 130 aus Fluß

stahl besitzt einen Flansch 131 mit einer äußeren Verbindungsfläche 132. In eine Stirnseite dieses Flansches

einem Bereich zwischen 0 und ³A gehalten. In Versuchen 55 wird die Vertiefung eingepreßt, so daß das Flanschmawurde festgestellt, daß bei einem Verhältnis S/b bis zu terial in die Nut 242 in der inneren Umfangsfläche 241

der harten Bremsscheibe 240 fließL

Bei dem in F i g. 11 dargestellten Vorgehen werden Kerben 104 in den Grund der umlaufenden Nut 102 Wenn jedoch das Verhältnis S/b größer als ³U ist, treten 60 eingedrückt, was durch gleichzeitiges radiales Zustellen Freiräume am Nutboden auf, die stark zunehmen, so- von über den gesamten Umfang regelmäßig verteilt an-

Bevorzugt wird das Verhältnis S/b des Abstandes S zur Breite b der Vertiefung bzw. Einpressung 204 in

³/< die Nut bis auf die Ecken und Winkelabschnitte gefüllt ist, d. h. freie nicht ausgefüllte Räume nur in den Nutecken und Winkelabschnitten vorhanden sind.

bald das Verhältnis S/b 1 übersteigt Wenn nämlich S größer wird, dh, wenn der Abstand zwischen dem Werkzeugende und dem oberen Ende der Nut größer wird, dann wächst auch der Reibungswiderstand im Werkstoff während seiner Verformung und es' erhöht sich auch die innere Werkstoffspannung, was zu unerwünschten Verformungen des Schwungkranzes führt

geordneten Treibwerkzeugen 700 erfolgt
Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 und fest an die angrenzenden Wände des härteren Bau- Patentansprüche: teils, z. B. einer Welle, angedrückt wird. Zur Steigerung der Scherfestigkeit der Verbindung in axialer Richtung

1. Preßfüge-Verbindung zweier ineinander im können in dem härteren Bauteil im Verbindungsbereich Gleitsitz angeordneter Bauteile, von denen ein Bau- 5 Umfangsnuten ausgearbeitet sein, in die das Material teil in seiner Verbindungsfläche eine umlaufende des plastisch verformten Bauteils einfließt Aus der US-Nut aufweist, die mit dem durch eine ringförmige PS 41 25 298 ist beispielsweise eine solche Pießfüge-Einpressung in der Stirnfläche des anderen Bauteils Verbindung der angegebenen Gattung bekannt, bei unmittelbar neben dieser Nut verdrängten weiche- welcher in einem zylindrischen Bauteil, z. B. einer Welle ren Material des anderen Bauteils gefüllt ist, da- to oder einer Lagerschale, im Verbindungsbereich nahe an durch gekennzeichnet, daß im Grund der der Außenfläche des verformbaren weicheren Bauteils Nut (102, 242) Zähne (1C3) ausgebildet sind, deren eine Ringnut von rechteckigem Querschnitt eingearbei-Seitenflächen einen Scheitelwinkel (/J) von 60— 120° tet ist In die Stirnseite der auf der Welle bzw. der Lagereinsch'.ießen, schale zu befestigenden Gehäusewand wird in geringem daß die obere und untere Endwand der Nut (102, 15 Abstand zu der die Welle bzw. die Lagerschale aufneh- 242) in einem spitzen Winkel « zur Horizontalen menden Wandöffnung ein ringförmiges Werkzeug von geneigt sind, dreieckigem Querschnitt aus hartem Material einge- liaß das Volumen U der Einpressung (204) größer als drückt, das in der Gehäusewand eine die Wandöffnung das freie Volumen Vder Nut (102,242) ist und umgebende Kerbe von ebenfalls dreieckigem Quer- daß die Breite *der Einpressung (204) zwischen 03 20 schnitt erzeugt Das beim Eindringen des Werkzeuges undl,5derBreiteBderNut(102,242)beträgt verdrängte Wandmaterial wird gegen die Umfangs-

2. Preßfüge-Verbindung nach Anspruch 1, da- wand der Welle bzw. der Lagerschale gedruckt und durch gekennzeichnet, daß die Tiefe Λ der Einpres- fließt in die Ringnut und bewirkt eine feste Verbindung, sung (204)das 1-bis 2fache der Nuttiefe//beträgt die relativ hohen axialen Scherkräften widerstehen

3. Preßfüge-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, 2s kann. Nachteilig ist es jedoch, daß insbesondere die Ek- dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis,S/b des ken der rechteckigen Ringnut nicht vollständig mit dem Abstands S vom Boden der Einpressung (204) zur plastisch verformten Werkstoff der Gehäusewand aus Oberkante der Nut (102,242) und der Breite b der gefüllt werden und daß in Umfangsrichtung kein Form-Einpressung schluli, sondern lediglich Haftreibung vorliegt, was sich

O < S/b £ V₄ ^x ^{auf die Fest}'g^{keit der} Verbindung bei der Übertragung "" insbesondere von Drehmomentstößen nachteilig ausbeträgt wirkt

4. Preßfüge-Verbindung nach einem der Ansprü- Aus der DE-OS 26 41 879 ist eine Preßfüge-Verbinche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuttie- dung bekannt, bei welcher in den Verbindungsflächen fe H₀ und die Höhe H\ der Zähne jeweils 0,2 und 35 der beiden Bauteile aufeinander senkrechtstehende 1,00 mm betragen. keilförmige Profile eingearbeitet sind. Beispielsweise

5. Preßfüge-Verbindung nach Anspruch 1, da- kann die Sitzfläche des inneren Teils nebeneinanderliedurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel α gende Umfangszähne mit keilförmigem gewindeähnlider oberen und unteren Endwand der Nut (102) im chen Querschnitt tragen und die Profile an der Sitzflä-Bereich von 30 bis 70° liegt. 40 ehe des äußeren Teils können eine achsparallel verlau-

6. Preßfüge-Verbindung nach Anspruch 1, da- fende Keilnabenverzahnung sein. Durch eine Axialpresdurch gekennzeichnet, daß das Volumen U der Ein- sung werden diese beiden Teile zusammengefügt, wobei pressung (204) um das 1,5- bis 2fache größer als das sich das eine Profil in das andere eingräbt um einen Volumen Vder Nut (102) ist. Formschluß zu erzielen.

7. Vorrichtung zum Herstellen einer Preßfüge- 45 Aufgrund dieses axialen Einpreßvorganges ist es Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, be- nicht sichergestellt, daß die in Umfangsrichtung verlaustehend aus einer unteren Abstützung der beiden fenden Rillen vollständig mit dem weicheren Material ineinander angeordneten Bauteile und aus einem gefüllt werden. Der durch die Keilnabenverzahnung oberen hohlzylindrischen Preßwerkzeug, dadurch verursachte Formschluß ermöglicht zwar die Übertragekennzeichnet, daß das Preßwerkzeug (500) in ei- 50 gung größerer Drehmomente als bei glatten Sitzflächen, nem Gegenhalter (300) angeordnet ist, der am Ober- die Gesamtfestigkeit der Verbindung ist jedoch aufstempel (602) relativ bewegbar abgestützt ist und auf grund des nur teilweisen direkten Kontaktes beider das zweite plattenförmige Bauteil (220) vor und Bauteile begrenzt.

während des Preßvorgangs einen Druck ausübt. Aus der Zeitschrift »Machine Design«, March 1955,

55 S. 181 ist es ferner bekannt, eine in einer Welle oder